NMBU-forskere bekjemper lystgassutslipp med bakterier

Vi har tatt turen til NMBU på Ås noen mil sør for Oslo. I Bioteknologibygningen sitter den såkalte nitrogengruppa, en gruppe forskere med blant annet professor Lars Bakken i spissen.

For ikke lenge siden gjorde gruppa et forskningsgjennombrudd som, etter at de publiserte resultatene i magasinet Nature i mai i år, har vakt global oppsikt. Forskningen fikk en rekke presseoppslag, og Lars Bakken ble intervjuet i medier over hele verden.

De hadde funnet en bakterie i jord som omdanner klimaskadelig lystgass, dannet fra nitrogenholdig gjødsel, til ufarlig nitrogengass (N₂) , som utgjør 78 prosent av luft.

Nå jobber gruppa med å finne flere typer lystgass-respirerende bakterier, og gjøre dem anvendelige i landbruksnæringen. Den store drømmen er ifølge professor Bakken å utvikle et tørt produkt der bakteriene kan overleve, for å bli aktive når de kommer i jord og trekker fuktighet.

–  Da har du et veldig interessant produkt som man kan se for seg bli en hyllevare og selges til bønder over hele verden, sier Bakken som opplyser at gjødselprodusenten Yara er partner i dette arbeidet.

Kinomodus Slå av kinomodus Minispiller

Ville løse lystgassproblemet

De gode resultatene er produkt av langvarig grunnforskning. Allerede for cirka 20 år siden bestemte professor Bakken og den nyetablerte nitrogengruppa, NMBU Nitrogen Group, seg for at hvis det finnes en løsning på lystgassproblemet, så skulle de finne den.

Lystgass, N ₂O, regnes som den tredje viktigste klimagassen etter CO₂ og metan. Den varmer opp jorda 300 ganger mer enn CO₂, og den skader ozonlaget.

Nitrogenholdig gjødsel er viktig for å produsere nok mat til verdens befolkning. Men noen av bakteriene i jord som tar opp nitrogen, danner også lystgass som lekker ut i atmosfæren. Omtrent en tredjedel av matproduksjonens klimapådriv skyldes denne lystgassproduksjonen.

Dette problemet ville Bakken og nitrogengruppa løse. De ville finne en biologisk metode som kunne redusere lystgassutslipp fra jord.

Les også Kritisk i Oslofjorden - kan mikroalger være løsningen?

Dyrke bakterier og spre dem på åkeren

– Det finnes milliarder av bakterier i hvert gram av jord, så det er litt av et detektivarbeid å finne riktige bakterier. Her har mange gjort fotarbeidet før meg. Det ligger mange års grunnforskning bak, sier stipendiat og Tekna-medlem Elisabeth Gautefall Hiis.

Før hun kom inn i prosjektet for tre år siden, hadde en av kollegaene i sin doktorgrad designet en metode for å selektere akkurat de riktige bakteriene som kan redusere/respirere denne lystgassen og omdanne den til helt ufarlig nitrogengass. Elisabeth jobber nå videre med én av disse bakteriene om ble selektert den gangen.

– Dette både for å forstå den bedre, men hovedsakelig jobber jeg med å teste effekten den har i feltforsøk. Vi har dyrket opp bakterien til høy celletetthet i biorest (biologiske rester) fra VEAS, som vi så har gjødslet med/spredd slik at det blir et slags teppe av lystgassrespirerende lystgassbakterier på åkeren som forhindrer gassen i å slippe ut.

Her følger Tekna-medlemmene Elisabeth Hiis og Lars Molstad med på forbruket av oksygen og lystgass fra bakteriene i labflaskene.

Tusenvis av forsøk gjennom mange år, både i lab og i felt ute på et jorde i nærheten har gitt resultater.

– Vi har kjempegode resultater fra de første feltforsøkene våre. Det er veldig gøy å se effekten i praksis. Vi var faktisk ikke forberedt på at resultatene i felt skulle bli så gode – mellom 45 og 95 prosent reduksjon i lystgassutslipp, varierende i ulike jordtyper. Nå jobber vi videre med å forbedre denne teknologien, sier Elisabeth Hiis.

Les også Klimamålene er klare, men oppfølgingen mangler

Fra labforsøk til feltforsøk

Hun forklarer at det ikke bare er å ta en hvilken som helst lab-bakterie som de vet reduserer lystgass og hive på jordet.

– Det er hard konkurranse i jord. Alle bakteriene har det på en måte like kjipt. Det er mye sult, og gjødsel blir mat som bakteriene kappes om å nyttiggjøre seg.

Hun forklarer videre at de designet noe de kaller en «dual substrate enrichment metode» i lab. Da har du to ulike vekstmedier som du øker konsentrasjonen av lystgass-respirerende bakterier i.

Det ene vekstmediet er jord og det andre er for eksempel biorest, fra biogassprosessen ved VEAS avløpsrenseanlegg. Ifølge Elisabeth kan metoden brukes for jord i blanding med andre aktuelle organiske avfallsstoffer. I dette systemet fjerner de luft og erstatter dette med lystgass, for å sjekke i hvilken grad bakteriene respirerer lystgass.

– Da har vi rigget en konkurranse der bakterier enten fra jord eller biorest, som kan overleve i begge deler og kan respirere lystgass, er de som får overtaket.  Noen bakterier kan respirere lystgass i biorest, men det er ikke sikkert de overlever møtet med jord. Så det er en lang dyrkningsprosess hvor du veksler mellom hvor du har bakteriene hovedsakelig i jord, og hovedsakelig i biorest.

Hun forklarer videre at konkurransen på en måte kan få tre utfall.

–  Du har jordvinnerne, og så har du biorestvinnerne, men hvis du kjører prosessen langt nok og veksler nok mellom jord og biorest hele tiden, med lystgass i volumet over, så kan du få frem generalistene. Den bakterietypen som både kan bruke karbonkilder i bioresten for å vokse, men som også kan overleve når den møter jorda, vinner.

Under lokket på roboten skjuler datautstyret seg der målingene av lystgassutslipp fra åkeren måles og registreres i sanntid, viser Lars Molstad som jobber med teknisk utvikling og modellering av jordfysikk.

Roboten er både brukt til å måle lystgassutslipp fra potter med ulike jordtyper og fra felt på åkeren.

Robot målte kontinuerlig utslippene

Ute på feltet Kjerringjordet ved NMBU har Elisabeth og hennes kollegaer testet labvinnerne i bøtter i flere ulike jordtyper som sandrik jord, leirrik jord og mer organisk rik jord med ulik pH.

En egenutviklet robot kjørte frem og tilbake over pottene og målte lystgassutslipp dag og natt tusenvis av ganger, og forskerne kunne lese av resultatene i sanntid i et egenutviklet dataprogram.

Og det var resultatene ute i felten fra Kjerringjordet som var så overraskende positive med 45 -95 prosent redusert klimagassutslipp fra bøttene som inneholdt lystgass-spisende bakterier.

– Det er veldig gøy å se effektene i praksis. Det gir virkelig tro på at dette kan være et bidrag til å gjøre noe med klimagassutslippene, sier Elisabeth Hiis.

Hun forteller at det er mange lavthengende frukter og mye som skal testes fremover.

–  Det mest utfordrende med teknologien er nok oppskalering – å vise at det fungerer i store forhold. Foreløpig er det største vi har gjort å produsere 120 liter av VEAS-biorest med lystgass-respirerende bakterier.

Kinomodus Slå av kinomodus Minispiller

Plattform for bioengineering

Professor Lars Bakken kaller forskningen et gjennombrudd. De har vist at det fungerer ute i felt.

–  Men dermed har vi ikke en teknologi som bonden kan bruke per dags dato. Det er mange utfordringer, så det kommer til å ta tid, men jeg har troen på at vi skal klare det, sier han.

–  Kan teknologien passe til ulike typer jord i hele verden?

– Ja, det ser jeg ingen grunn til at det ikke skulle kunne gjøre, fordi det vi har utviklet en metode for å finne de bakteriene som tåler den enkelte jordtype.

Bakken mener at konseptet har mange andre bruksområder hvis de kan utvikle en teknologi som gjør at bonden kan bruke alt avfallet sitt til denne typen dyrking av mikrober før det spres på jordet.

Professoren forklarer at de lager en plattform for bioengineering av jord.

–  Det handler om å kunne stimulere enkeltprosesser i jord. I likhet med å styrke N ₂O-reduksjon i jord med vår teknologi, er det for eksempel også et ønske om å styrke oppløsning av fosfor, sier han.

Han synes konseptet de jobber med er fascinerende og er overbevist om at det kommer til å bli anvendt på andre områder enn å hindre lystgassproduksjon fra nitrogen i jord.

– En av de viktigste utfordringer for metoden er sannsynligvis at hvis du tilfører en bakterie år etter år, så akkumulerer du virus, som tar den bakterien, og da reduseres levetiden i jord. Det betyr at man sannsynligvis må ha et knippe forskjellige bakterier. Man bruker en bakterie en stund, så går man over til en annen som ikke skades av det viruset.

Professor Lars Bakken var med å starte NMBU Nitrogen Group for cirka 20 år siden. De hadde som "credo" at hvis det fantes en løsning på lystgassproblemet, skulle de finne den.

Jobber med halm og pellets

Professor Bakken opplyser at de leter etter relevant organisk avfall og bakterier som vokser i forskjellige avfall. For eksempel jobber de nå intenst med å bruke halm, noe Elisabeth Hiis også er involvert i.

–  Det å bruke halm er veldig interessant, fordi det er en tilgjengelig bioressurs med ganske like egenskaper over hele verden, sier han.

Planen er da å dyrke bakteriene i halmen og så spre halmen på jorda. Jorda får da bakteriene inn gjennom halmen.

Bakken forteller at drømmen må være å få til et tørt hylleprodukt. Problemet med de fleste flytende produkter, er at de er tunge fordi de inneholder mye vann, ikke egner seg for transport og ikke kan lagres.

– Hvis vi klarer å lage et pelletert materiale hvor våre bakterier overlever tørkingen, og som begynner å gro igjen og bli aktive når pelletene kommer i jord og trekker fuktighet, da har vi et veldig interessant produkt.

–  Det skal ikke vi lage, men kanskje Yara, tilføyer han.

Professor Lars Bakken beskriver Yara som en veldig interessant partner fordi de er store på gjødsel, og har interesse for akkurat dette.

–  Yara jobber strategisk mot å produsere mer organisk gjødsel, altså tørr organisk gjødsel, eventuelt en kombinasjon av mineralgjødsel og organisk gjødsel. Og hvis vi kan integrere våre bakterier i den materialstrømmen, da kan det butikk av det, sier professor Lars Bakken.